[發明專利]一種多孔炭負載納米金屬氧化物或納米金屬材料的方法

有效

• 申請號: 201410048253.6
• 申請日: 2014-02-11
• 公開（公告）號: CN103801705A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 姜興茂;陳震;張耕;楊鳳麗;陸偉;閔建中;梁帥
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: B22F9/16
• 分類號: B22F9/16;B22F9/22
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明提供了一種多孔炭負載納米金屬氧化物或納米金屬材料的方法，屬于納米材料制備技術領域。

背景技術

納米材料具有明顯不同于塊體材料和單個分子的獨特性質，例如：表面效應、體積效應、凝子尺寸效應和宏觀隧道效應等，使其在電子學、光學、化工、陶瓷、生物和醫藥等方面都有廣闊的應用前景。然而納米粒子由于其高表面能，容易發生燒結和團聚，因此納米材料往往需要載體，以保證其單分散性，同時降低燒結、團聚等發生的概率。多孔炭材料具有發達的孔隙結構，很大的比表面積，較多的表面化合物和很強的吸附能力，還擁有耐高溫、耐酸堿、導電和傳熱等一系列的優點，因此是負載納米粒子的良好載體。按照國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的分類，可將多孔炭中的孔道分為大孔（>?50?nm）、介孔（2-50?nm）以及微孔（<?2?nm）。多孔炭負載的納米金屬或氧化物材料在工業催化、水處理和電化學等諸多方面都具有廣闊的應用前景。

在多孔炭擔載納米材料的制備方法方面，普遍采用的是直接浸漬法和共聚合法。直接浸漬法是將多孔碳材料直接浸漬于金屬鹽溶液中，然后經干燥和熱處理得到多孔炭負載的納米材料。Ryoo等[Joo?S?H,?Choi?S?J,?Oh?I,?et?al.?(2001).?Nature??412(6843):?169-172.]通過浸漬還原方法將鉑納米顆粒引入到有序介孔炭中，得到高度分散的粒徑僅為3?nm的鉑顆粒，使其有望在燃料電池領域有應用前景。浸漬法應用廣泛，但是對于納米粒子的粒徑、組分和在載體中的分布缺乏有效的調控。共聚合法是指將金屬鹽和碳源灌注到多孔模板內，通過碳化和除模板從而得到多孔炭復合材料。Ding等[Ding?J,?Chan?K?Y,?Ren?J,?et?al.(2005).Electrochimica?Acta?50(15):?3131-3141.]以SBA-15為模板、甲醇為碳源、Pt(NH₃)₄(NO₃)₂為金屬鹽，制備得到了有序介孔炭/鉑復合材料，并研究了其對氧還原反應的電催化性能。然而，共聚合法的制備方法復雜繁瑣，需要反復地灌注碳源和金屬鹽及去除模板，周期長、成本高，這無疑阻礙了該方法的規模化應用。

近年來，一些研究小組報道了采用自組裝法簡便地制備得到了多孔碳復合材料。Zhao等[Liu?R.,?et?al.?(2007).Chemistry?of?Materials?20(3):?1140-1146.]以可溶性酚醛樹脂為前驅體，通過有機-無機自組裝獲得有序介孔炭負載的TiO₂和TiC復合材料。Yao等[Yao?J.,?et?al.?(2009).?Carbon?47(2):?436-444.]以間苯二酚為碳源，直接制備得到了磁性可分離的有序介孔炭/Ni復合材料。Ji等[Ji?Z.,?et?al.?(2009).?Carbon?47(9):?2194-2199.]采用三組分共組裝方法，制備了高比表面積的有序介孔碳/Ru復合材料，并研究了其對苯加氫反應的催化作用。該方法用于合成硅基材料已經很成熟，但是合成碳材料仍需進一步深入研究，而且該方法難以廣泛適用于各種炭載金屬/金屬氧化物復合材料的制備。

總而言之，傳統的多孔炭負載納米材料的合成方法往往存在著合成路線長，模版劑成本高，后期處理污染嚴重等問題，因而難以實現大規模生產。碳載體的孔道結構，以及擔載的金屬或金屬氧化物的尺寸、組分、晶相和擔載量等參數很難同時得到控制。此外，傳統合成方法由于制備方法的限制不能夠廣泛運用于各種納米金屬或氧化物的制備。因此，開發一種簡單普適的多孔炭負載納米金屬或金屬氧化物復合材料的制備方法，并能夠在合成過程中控制碳載體的孔道結構以及納米粒子的尺寸、組分、晶相和擔載量等參數，對于該類材料的廣泛應用必將產生重大的推動作用。

發明內容

本發明的目的在于開發一種簡單普適的多孔炭負載納米金屬或金屬氧化物復合材料的制備方法，該方法可廣泛的適用于眾多炭載金屬及氧化物的合成。

本發明利用糖類、尿素和金屬鹽在一定溫度下形成均勻熔融液體，使得金屬鹽均勻分布在混合液體中。之后，加熱使得糖類碳化得到多孔炭，同時金屬活性組分均勻分布在多孔炭中，隨后在保護氣或還原性氣氛下高溫熱處理后，得到多孔炭負載納米金屬/金屬氧化物復合材料。